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增材制造及其航空航天领域的发展现状

2016/9/26    来源:互联网    作者:王忻凯  王乾俸      
关键字:增材制造  航空航天领域  发展现状  
本文阐述了增材制造的基本概念和不同种类增材制造技术的原理、特点,并对不同种类增材制造技术在航空航天和军事领域的国内外发展状况进行了介绍,归纳总结了当前该技术所存在的问题与不足,最后对增材制造的发展应用前景进行了展望。

1 金属增材制造的种类和原理

    金属增材制造(Additive Manufacturing,简称AM)技术区别于传统的铸、锻、焊等热加工“等材成形”技术及车、铣、磨等冷加工“减材成形”技术的一种全新的制造方法,是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术,相对于传统的材料去除-切削加工技术,是一种自下而上的制造方法。它是融合了计算机软件、材料、机械、控制等多学科知识的系统性、综合性的技术。增材制造按照不同的加工方法可分为激光增材制造、电子束增材制造、电弧增材制造等,有的加工方法仍可细化成两种或多种不同的具体方式。下面将对各种不同增材制造方法的原理和特点进行阐述,并对各自的国内外研究现状进行介绍。

2 激光增材制造

    激光增材制造分为激光选区熔化技术和激光直接沉积技术,激光选区熔化成形技术原理:它是以激光作为热源,一层一层熔化金属粉末,直接制造出近形的金属零件。

    激光快速成形技术打破了传统材料去除或变形加工成形方法的限制,利用“离散+堆积”的増材成形思想,通过同步送粉(送丝)或激光熔覆数字化成形一步实现工件的精确成形;属近净成形制造技术。激光直接沉积技术是在快速原型技术和激光熔覆技术的基础上发展起来的一种先进制造技术。该技术是基于离散/堆积原理,通过对零件的三维CAD模型进行分层处理,获得各层截面的二维轮廓信息并生成加工路径,在惰性气体保护环境中,以高能量密度的激光作为热源,按照预定的加工路径,将同步送进的粉末或丝材逐层熔化堆积,从而实现金属零件的直接制造与修复。

    约翰霍普金斯大学、宾州大学和MTS公司开发出一项大功率CO2激光“钛合金的柔性制造”技术,并成立AeroMet公司。该公司的目标就是实现具有高性能、大体积钛合金零件的制造,尤其是大型整体加强筋结构钛合金零件的快速成形。公司的主要研究方向为军事领域的航空航天用钛合金部件的激光增材制造。该公司制造的钛合金零部件已实现装机使用。已使用零件分别为F-22战斗机的某接头、F-18战斗机的翼跟加强板的连接吊环和起落架连接杆。其中,F-22的接头件能够达到要求疲劳寿命的两倍以上,翼根加强筋达到要求疲劳寿命的四倍以上,起落架连杆疲劳寿命超过原件的30%。

    美国Sandia国家实验室的Griffith研究组提出以激光熔覆沉积成形为基础的激光净成形(Laser Engineered Net Shaping)技术,并将此技术用于修复涡轮发动机的零部件。研究的材料种类包括不锈钢、钛合金、高温合金等,成型件的强度和塑性均比锻造件得到显著地提高。研究小组还通过对控制软件的研究和改进,将加工精度提升了一个等级。其水平方向加工精度达到0.05mm,垂直方向加工精度达到0.4mm,加工后零件的表面光洁度达到6.25μm。但是成型精度的提高会影响到成形效率。特别值得一提的是,研究组通过改变金属粉末的成分,实现了材料成分在一个零件上的梯度变化,从而使得零件的不同部位具有了不同的力学性能,这就为零件的设计优化提供了一种新的方法。

    国内的增材制造相关研究虽然起步较晚,但是一些相关的大学和研究机构已有异军突起之势,在某些方面甚至达到国内外领先的地步。西北工业大学的黄卫东教授的团队在快速原型制造技术的基础上提出了激光增材制造技术的研究思路,进行了相关的研究探索。并成功运用激光立体成形技术制造出了大型飞机的钛合金翼梁缘条和飞机发动机的高温合金空心叶片,综合力学性能优于同等条件下的锻件。北京航空航天大学的王华明教授采用激光增材技术制造出大尺寸金属零件,并应用于新型飞机的研制过程中,不但提高了飞机的结构强度,而且大大缩短了飞机的研制周期,并于2012年获得国家科学技术进步一等奖。

    但是激光增材制造也存在一些问题。比如:球化现象、裂纹敏感性、残余应力等,而且设备较昂贵、能量利用率低、低熔点金属材料的受热变形、速度与精度之间的矛盾等问题也尤为突出。尤其对铝合金而言,由于液态铝的光反射率很高,激光照射在液体表面大部分反射掉,导致其能量损失严重;而且铝合金熔点较低,激光的能量密度很高,对大型薄壁零件或者壳体增材时,翘曲变形较严重。

3 电子束增材制造

    电子束增材制造分为熔丝沉积成形和电子束选区熔化成形,电子束熔丝沉积技术又称为电子束自由成形制造技术(Electron BeamFreeform Fabrication,EBF)。在真空环境中,电子束轰击金属表面形成熔池,金属丝材通过送丝装置送入熔池并熔化,同时熔池按照预先规划的路径运动,熔池金属逐层凝固堆叠,达到致密的冶金结合,从而制造出金属毛坯件,最后进行表面精加工和热处理。特点:沉积效率高、真空环境有利于零件的保护、内部质量好、可实现多功能加工。电子束选区熔化成形技术(Electron beam selective melting,EBSM)的工艺原理。先在铺粉平面上铺展一层粉末并压实;然后,电子束在计算机的控制下按照断面轮廓的信息进行有选择的熔化,层层堆积,直至整个零件全部熔化完成;最后,去除多余的粉末得到所需的三维零件。特点:成形精度高,成形件表面质量较好,光洁度较好,可用于近成型增材制造。

    Calcam公司采用电子束熔丝沉积增材制造技术,通过对工艺参数和控制系统的把控,制造出了综合力学性能优于锻件的TC4钛合金叶轮部件,并成功应用于某型飞机上。

    2001年瑞典的Arcam公司成立以来,以电子束增材制造技术在粉末近净成形精度、效率、成本和力学性能等方面具有的优势,针对它的研究很快成为了国外科学前沿的研究热点。德国纽伦堡大学、英国华威大学、美国北卡罗莱纳大学以及美国波音公司、Synergeering集团、德国FAruth公司、瑞典VOLVO公司等都陆续开展了相关的研究。美国Sciaky公司联合Lockheed Martin、Boeing公司等也在同时期合作开展了研究,成形钛合金时,最大成形速度可达18kg/h,力学性能满足适航要求。意大利AVIO公司采用其自行制造设备开发出航空发动机复杂TiAl基合金构件,并成功应用在新一代航空发动机上。

    2006年北京航空制造工程研究所开始对电子束熔丝沉积成形技术进行深入研究。设计并制造了国内首台电子束熔丝沉积成形设备,对TC4、TC18、TA15、等钛合金以及A100超高强度钢的力学性能进行了系统的研究。研制了大量钛合金零件和试验件。2012年,采用电子束熔丝成形制造的钛合金零件在国内飞机结构上率先实现了装机应用。

    目前电子束增材制造仍面临着一系列技术问题,吹粉、球化现象、变形及残余应力控制、表面粗糙度等。而且,电子束增材设备十分昂贵,设备维护成本较高。因为电子束加工需要真空保护,所以其制造周期较长。对轻合金薄壁件的增材制造而言,同样存在着变形严重的难题。

4 其他增材制造方法

4.1 电弧增材制造

    电弧增材制造又叫做形状金属沉积(shaped metal deposition SMD)技术。它采用的是钨级气体保护焊技术和高密度丝材。工件在保护气环境下被层层叠加制造,同时焊接机器人直接由电脑CAD模型控制。通常情况下,精度和表面质量都不如激光或电子束增材制造。但是,它可以制造大到1m3的工件并且沉积速率可以达到1kg/h。因此,高速的电弧增材制造大型高密度部件的能力在这方面使得它比其他方法具有巨大优势。

    英国谢菲尔德大学的贝恩等人用六轴联动的机器人在两轴的平台上对铜丝材进行电弧增材制造,获得了厚度为20mm的箱体坯件。组织性能接近同等条件下激光增材的性能。

    天津大学的尹玉环等人使用TIG电弧作为热源对5356铝合金零件的增材成形进行了研究。研究结果表明:同一层成形时通过对道次间冷却时间的控制可以获得较好的增材成形效果,而对整个成形件而言不同层之间冷却时间的合理控制对获得良好的增材成形效果也起着至关重要的作用。还发现在后续焊接中采用不同的焊接速度虽然可以有效的控制热输入量,但是如果焊接速度的差异过大将导致增材成形过程的稳定性变差。

    华中科技大学的王桂兰等研究了电磁场对电弧熔积快速成形温度场及参与应力的影响,研究结果表明:添加磁场之后,成形件表面温度场各温度区域范围增大,熔积层表面热循环峰值温度升高,冷却速度降低,成形件表面的纵向和横向残余应力均减小。

    电弧增材制造也存在一些不可回避的难题:吹粉和球化现象严重造成成形稳定性差、成形材料种类的局限性、成型零件易发生开裂和变形综合力学性能较差、组织差异大和需要较多的后期精加工等。

4.2 超声增材制造

    超声增材制造Ultrasonic additive manufacturing(UAM)作为一种固态金属成形加工方式,它是运用超声波焊接方法,通过周期性的机械操作,将多层金属带加工成三维形状,最后成形为精确的金属部件。下面是滚轴式超声焊接系统,它是由两个超声传感器和一个焊接触角组成,传感器的振动传递到磁盘型的焊接触角上,能够在金属带与基板之间进行周期性的超声固态焊接,进而触角的连续滚动将金属带焊在基板上。这种技术能够使铝合金、铜、不锈钢和钛合金达到高密度的冶金结合。若将它与切削加工做比较,UAM可以做出深缝、空穴、格架和蜂巢式内部结构,以及其他的传统的切削加工无法加工的复杂结构。

5 展望

    增材制造技术经过二三十年的探索发展,目前正处于蒸蒸日上的时期,一方面期待在技术上有新的突破,提高增材制造在材料、精度和效率上的要求;另一方面是基于现有技术的新应用,拓宽增材制造的应用领域和范围。相信在不久的将来,一定能看到增材制造技术在航空航天领域的更大范围的应用。

责任编辑:屈婷婷
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